超好熱アーキアのFAD依存性脱水素酵素複合体及びPLP依存性アミノ酸ラセマーゼの研究

We have paid much attention to screen and characterize enzymes from hyperthermophiles for analysis of their metabolic pathways of amino acids and utilization of the enzymes as the functional element for biosensor. In this review, we introduce two kinds of enzymes, FAD-dependent L-proline dehydrogenase complex and PLP-dependent amino acid racemase, from hyperthermophilic archaea. Two different FAD-dependent L-proline dehydrogenase activities were detected in the screening process of stable dye-linked dehydrogenase as specific element for electrochemical biosensor. The first enzyme found in Thermococcus profundus formed αβγδ structure with not only proline dehydrogenase activity but also NADH dehydrogenase activity. We have succeeded in the construction of DNA sensing system using this enzyme. The second one from Pyrococcus horikoshii formed α4β4 structure and had FAD, FMN, ATP and Fe as cofactors. On the other hand, PLP-dependent amino acid racemase with broad substrate specificity was found in the process of investigation into D-amino acid utilization in the growth of P. horikoshii. Furthermore, we found another amino acid racemase specific for Ala and Ser by functional analysis of the homologs of the amino acid racemase. Because the genes of both dehydrogenases and racemases are widely conserved in the genomes of Pyrococcus and Thermococcus species, these enzymes may play important roles in the amino acid metabolisms.

著者らはこれまで、アミノ酸代謝経路の分析やバイオセンサー素子としての酵素の応用利用のために，超好熱菌由来酵素のスクリーニングや機能解析を進めてきた．この総合論文では，これまでに見出した2種類の酵素，FAD依存性L-プロリン脱水素酵素複合体とPLP依存性アミノ酸ラセマーゼについて紹介する．まず，電気化学的バイオセンサー用の機能性素子として利用可能な安定な色素依存性脱水素酵素をスクリーニングする過程で2種類の異なるL-プロリン脱水素酵素活性を見出した。最初に見出したThermococcus profundus由来の酵素はαβγδ構造の複合体酵素であり、L-プロリン脱水素酵素活性だけでなく、NADH脱水素酵素活性も示した。この酵素を用いたDNAセンシングシステムの構築にも成功している。Pyrococcus horikoshiiから見出した第2の酵素もα4β4構造の複合体酵素であり、補因子としてFAD、FMN、ATP、鉄を有していた。一方で、低基質特異性を示すPLP依存性アミノ酸ラセマーゼはP. horikoshiiの増殖におけるD-アミノ酸資化性を調査する過程で見つかった。さらに著者らは、ホモログ酵素の機能解析によってAlaとSerに特異的なアミノ酸ラセマーゼも見出した。これらの脱水素酵素やラセマーゼは両方とも、Thermococcales目超好熱アーキアに広く保存されており、アミノ酸代謝において重要な役割を担っていると考えられる。